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标题 密度对毛竹林水源涵养能力的影响
范文 陈亚刚+赖玉玲+李武



摘 要： 以崇陽县毛竹为研究对象，在4种密度（D1）1 300±100、（D2）1 900±100、（D3）2 500±100及（D4）3 100±100株·hm-2毛竹林分内通过标准地设置与调查对毛竹林分水源涵养能力进行了研究。结果表明，虽然不同毛竹林密度林冠层截留率之间的差异不显著，但截留量之间的差异极显著。半分解以及未分解凋落物持水量与浸泡时间之间均为对数方程，半分解以及未分解凋落物吸水速率与浸泡时间之间均为幂函数方程。不同密度凋落物最大持水量0.81～1.21 mm，并随林分密度增加而增加。凋落物总最大持水率380.39%～402.13%。林分有效拦蓄量0.75～0.92 mm，有效拦蓄率292.92%～311.31%，并密度增大而增大。毛竹林土壤土壤含水率11.21%～13.70%，土壤容重1.19～1.34 g/cm3，毛管总孔隙度52.89%～54.77%，土壤毛管总孔隙度随土层深度的增加而减小，土壤非毛管孔隙度9.39%～10.22%。林分密度对土壤物理性状及其土壤渗透性能影响均不显著。毛竹林土壤饱和蓄水量3 173.35～3 286.11 t·hm-2，不同密度毛竹林分土壤层饱和蓄水量之间的差异不显著。虽然不同密度毛竹林分土壤毛管蓄水量之间的差异不显著，但非毛管蓄水量差异显著。毛竹林水源涵养总量584.15～626.58 t·hm-2，土壤蓄水量、林冠截留量及凋落物持水量分别占96.41%～97.91%、0.79 %～1.51%及1.30%～2.07%。
关键词： 毛竹；密度；水源涵养；崇阳
中图分类号：S727.15 文献标识码：A 文章编号：1004-3020（2017）01-0007-07
Abstract： Phyllostachys edulis （Moso bamboo） in Chongyang had been taken as research object. With 4 density stands， i.e， 1 300±100 stems·hm-2（D1）， 1 900±100 stems·hm-2（D2）， 2 500±100 stems·hm-2（D3） and 3 100±100 stems·hm-2（D4），a study of effect of stand density on water conservation capacity had been studied.Results showed that although the difference of canopy interception rate among bamboo stand density was not significant， the difference of canopy interception significant. Regressions for both semidecomposition and no decomposition litter water holding capacity to soaking time were logarithmic equation， regressions for both semidecomposition and no decomposition litter water absorption rate to soaking time power function equation. The maximum water holding capacity of litter in different density stand was 0.81～1.21 mm， and increased with the increase of the stand density.The total maximum water holding rate of litter was 380.39～402.13%. Stand effective interception was 0.75～0.92 mm， effective interception rate of 292.92%～311.31%， and it increased density with stand density increase. Soil moisture content was 11.21%～13.70% and soil bulk density 1.19～1.34 g/cm3. Total soil capillary porosity was 52.8%9～54.77%， soil capillary porosity decreased with the increase of soil depth， and soil non capillary porosity was 9.39%～10.22%. The effect of stand density on soil physical properties and soil permeability were not significant. Saturated soil water storage capacity of Moso bamboo forest was 3173.35～3286.11 t·hm-2， the difference of saturated soil water storage capacity among different density stand was not significant. Although the differences of soil capillary water capacity among different density stand was not significant， the difference of soil non capillary water capacity significant. The total water conservation capacity of Moso bamboo forest was 584.15～626.58 t·hm-2， the percent of soil water storage capacity， the percent of canopy conservation capacity and the percent of litter water holding capacity were 96.41%～97.91%， 0.79% ～ 1.51% and 1.30%～ 2.07%， respectively.
Key words： Phyllostachys edulis； stand density； water conservation capacity； Chongyang
森林是陆地上最大的生态系统，具有涵养水源、保持水土等多种生态功能[1]。森林通过林冠层截留降雨，改变雨滴的降落方式，削弱雨点对土壤的冲击动力等方式来涵养水源[2]。不仅森林结构，如林分的组成、林木密度、垂直层次、植株的水平空间分布等对其水源涵养能力有重要的影响，枯枝落叶层现存量及土壤物理性状对森林生态系统水源涵养量亦有重要的影响。森林土壤在森林生态系统水源涵养总量中占据主导地位，森林生态系统水源涵养总量是森林植被和土壤共同作用的结果[3-7]。
不同密度林分由于林分结构和土壤理化性质等的不同，导致其水源涵养能力也存在一定差异。周泽福等对太行山不同密度水源涵养林的研究得出合理调整林分密度才能使生态效益得到更大的发挥。郑郁善等研究了福建省沿海丘陵不同密度巨尾按人工林水源涵养功能，得出不同密度的巨尾桉人工林其水源涵养能力存在显著差异。鲁绍伟研究了北京山地人工侧柏林发现不同密度侧柏林分凋落物总储量随着林分密度增加而增大，最大持水量随林分密度增加表现为先增大而后减。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
崇阳县地理位置为东经112°32′～114°29′，北纬29°12′～29°41′，属亚热带季风气候，日照充足，温和多雨。平均气温16.7 ℃，极端最高气温40.7 ℃，极端最低气温-14.9 ℃，无霜期259 d，年雨量1 395 mm。夏季酷暑持续时间较短，冬季严寒冰冻较少。
试验区毛竹土壤母岩主要是页岩及石灰岩类型。由页岩发育的红壤pH值4.5～6.5，由石灰岩发育的石灰土，pH值7.0～7.5。土质疏松、石砾含量轻（10%～30%），腐殖质层较厚，通透性好，保水保肥能力较强。
试验地林内杂草杂藤较多，植被盖度70%。林木郁闭度在0.5以上，土层厚度在60～80 cm。
1.2 研究方法
1.2.1 标准地设置
2015年4月，在页岩中下坡厚土层立地类型毛竹林分中，分别不同密度按常规方法设置标准样地，面积20 m×15 m，每处理3次重复，共12个标准地，标准地四周设置3 m左右的缓冲带。试验设置4个密度，即1 300±100株·hm-2（D1）、1 900±100株·hm-2（D2）、2 500±100株·hm-2（D3）及3 100±100株·hm-2（D4）。
1.2.2 标准地调查
（1）林分调查。在上述各标准地毛竹进行每木检尺，包括年龄（度）、地径、胸径、枝下高、竹高、冠幅等指标。
（2）林冠层持水量测定。分别1～4度竹，以各度竹的平均胸径为标准选取四株标准竹，取其枝与叶后称鲜重。用尼龙袋包裹标准竹枝叶样品置于水池中浸泡0.5～1.0 h后取出静置，待重力水滴净后再称重量，从而得到以鲜重为基准的毛竹枝叶最大持水量与持水率。通过密度，推算出每公顷毛竹林冠层的最大持水量与持水率。
（3）凋落物储量调查。在各标准地内凋落物有代表性的地方设置3个0.5 m×0.5 m样方，用尺测定凋落物层未分解层和半分解层的厚度，并分层采集样方内所有凋落物，用天平称其重量后装入样品袋后带回实验室，待其自然风干后再称重。随机取部分风干样品在80 ℃恒温下烘干至恒重，计算样品的自然含水率以及样方内枯落物烘干重量，进而推算出各标准地的凋落物储量。
（4）凋落物层持水量和吸水速率的测定。分别在未分解层和半分解层取部分自然风干样品，称风干重。然后用尼龙袋包裹浸入水中0.5、1、2、4、6、12、24 h，每次取出静置，待重力水滴净后再称重量，凋落物湿重与其风干重的差值即为不同浸水时间的持水量，该值与浸泡时间的比值即为凋落物的吸水速率。将浸泡24 h后的凋落物含水率作为最大持水率。
采用程金花有效拦蓄量方法来估算凋落物对降雨的实际拦蓄量，计算公式为：
W=（0.85 Rm-Ro）M
式中，W有效拦蓄量（t·hm-2），Rm最大持水率（%），Ro平均自然含水率（%），M凋落物储量（t·hm-2）。
对毛竹凋落物持水量与浸泡时间，以及毛竹凋落物吸水速率与浸泡时间进行多方程拟合。回归方程包括线性、对数、指数、幂函数、逻辑斯蒂及S曲线。对方程进行显著性检验，选择F及R2值大者为其回归方程。在同等条件下，则选择相对简单的回归方程。
（5）土壤物理性质、持水能力和渗透性能测定。在各标准样内选取3个具有代表性的地块挖掘土壤剖面，用环刀分别在0～20 cm、20～40 cm及40～60 cm土层内取原状土，每层3次重复，同时取环刀周围的部分土放入铝盒，编号后带回实验室，用室内双环刀法测定土壤土壤渗透性[8]。本试验测得的渗透系数统一换算为10 ℃时的渗透系数，本试验所用环刀体积为100 cm2。由公式计算不同林分一定土层深度内（本文计算深度均为60 cm）土壤的毛管蓄水量、非毛管蓄水量和饱和蓄水量。
Wc=10 000 Pc×h，Wn=10 000 Pn×h，Wt=Wc+Wn
式中，Wc土壤毛管蓄水量（t·hm-2），Wn非毛管蓄水量（t·hm-2），Wt土壤饱和贮水量（t·hm-2），Pc土壤毛管孔隙度（%），Pn土壤非毛管孔隙度（%），h土层深度（m）。
2 結果与分析
2.1 毛竹林密度对林冠层截留量及截留率的影响
对毛竹林分结构而言，影响森林水源涵养功能最主要的因子是密度，即密度对毛竹林林冠层截留量与截留率产生重要的影响，结果如表1所示。
由表1可知，毛竹林林冠层枝叶截留量在4.97～8.84 t·hm-2，毛竹林冠截留量随林分密度增大而增大。方差分析表明，不同密度毛竹林冠层截留量之间的差异极显著。
毛竹林林冠层截留率大小依次为D2（40.65%）>D3（39.01%）>D4（37.87%）>D1（35.58%）。数据表明，随着林分密度的增大，林冠层持水量先增大后减小。方差分析表明，不同密度毛竹林分林冠层截留率差异不显著。
2.2 毛竹林密度对凋落物层持水能力的影响
2.2.1 凋落物持水量与浸泡时间的关系
毛竹林凋落物持水量随浸泡时间的增加而增加。在浸泡的前0～2 h内，其持水量急速上升，到4 h时的持水量达到其最大持水量的80%以上，此后逐渐变缓，不同密度毛竹林凋落物持水量与浸泡时间的变化趋势相同，如图1所示。经多回归方程拟合，毛竹半分解凋落物持水量与浸泡时间之间，未分解凋落物持水量与浸泡时间之间均为对数方程，见表2。
2.2.2 凋落物吸水速率与浸泡时间的关系
毛竹凋落物在浸泡前1 h内，吸水速率急剧下降，约2 h后下降速度开始减缓并逐渐趋于稳定，如图2所示。经多回归方程拟合，毛竹半分解凋落物吸水速率与浸泡时间之间，未分解凋落物吸水速率与浸泡时间之间均为幂函数方程，见表3。
2.2.3 毛竹林密度对凋落物层持水能力的影响
（1）毛竹林凋落物层最大持水量与最大持水率。毛竹林凋落物最大持水量随林分密度增加而增加。不同密度最大持水量在0.81～1.21 mm，未分解层凋落物的最大持水量大于半分解层的，见表4。
未分解层凋落物的最大持水量随密度变化表现为：D1（0.43 mm）毛竹林凋落物最大持水率380.39%～402.13%，其中未分解层凋落物的最大持水率大于半分解层的。
未分解层凋落物的最大持水率随密度变化表现为：D4（242.83%）半分解层凋落物的最大持水率随密度变化表现为：D2（137.30%）（2）毛竹林凋落物层有效拦蓄量与有效拦蓄率。就有效拦蓄量而言，林分密度越大，有效拦蓄量越大。其中D1的有效拦蓄量为0.63 mm，D2为0.75 mm，D3为0.91 mm，D4为0.92 mm，见表4。
不同密度毛竹林凋落物层总有效拦蓄率292.92%～311.31%，其中未分解层凋落物有效拦蓄率大于半分解层。未分解层有效拦蓄率依次为D3（203.65%）>D1（197.22%）>D2（195.44%）>D4（194.30%）。半分解层有效拦蓄率依次为D3（107.65%）>D1（106.21%）>D2（98.91%）>D4（98.62%）。
2.3 毛竹林密度對林分水源涵养量的影响
（1）毛竹林密度对土壤物理性状及其渗透性能的影响。毛竹林分的土壤土壤含水率11.21%～13.70%，土壤容重为1.19～1.34 g·cm-3，土壤毛管总孔隙度52.89%～54.77%，土壤毛管总孔隙度随土层深度的增加而减小。各林分土壤非毛管孔隙度在9.39%～10.22%。方差分析表明，密度对各土壤物理性状的影响不显著，见表5。
土壤渗透是指水分进入土壤形成土壤水的过程。毛竹林不同密度各土壤层次土壤渗透性能如表6所示。
由表6可知，各密度毛竹林分的土壤初始渗透速率在4.92～5.89 mm·min-1，稳定渗透速率在 2.91～3.22 mm·min-1，平均渗透速率在 3.33～3.84 mm·min-1，各种渗透速率均表现为随着密度的增大而逐渐减小的规律。各林分中土壤渗透系数最小的是D4（1.89 mm·min-1），D1的土壤渗透系数最大（2.18 mm·min-1）。在0～60 cm土层中，表土层土壤有较好的渗透性能，这可能是因为表层土壤有机质和鞭根量较多，有利于水分的入渗。方差分析表明，不同密度不同土层毛竹林土壤渗透性能之间的差异均不显著。
（2）毛竹林密度对土壤水源涵养量的影响。
土壤饱和蓄水量变化幅度为3 173.35～3 286.11 t·hm-2，不同密度土壤蓄水量依次为D2（3 286.11 t·hm-2）>D4（3 251.23 t·hm-2）>D3（3 247.75 t·hm-2）>D1（3 173.35 t·hm-2）。方差分析表明，不同密度毛竹林分土壤层饱和蓄水量之间差异不显著，见表6。
土壤毛管蓄水量变化幅度为2 559.88～2 703.11 t·hm-2，不同密度土壤毛管蓄水量依次为D2（2 703.11 t·hm-2）>D4（2 688.03 t·hm-2）>D3（2 648.49 t·hm-2）>D1（2 559.88 t·hm-2），方差分析表明，不同密度毛竹林分土壤毛管蓄水量差异不显著。
非毛管蓄水量各密度林分土壤有效蓄水量变化幅度为563.20～613.47 t·hm-2，不同密度土壤非毛管蓄水量依次为：D1（613.47 t·hm-2）>D3（599.27 t·hm-2）>D2（583.00 t·hm-2）>D4（563.20 t·hm-2）。这可能是由于低密度毛竹林林下植被生长较多，其根系使土壤非毛管孔隙度增加，从而使有效蓄水量增加。方差分析表明，不同密度毛竹林分土壤非毛管蓄水量差异显著。


（3）毛竹林密度对林分水源涵养总量的影响。毛竹林分的总水源涵养量由林冠截留量、凋落物持水量和土壤层蓄水量等组成。对各密度毛竹林分的各层次的总水源涵养能力进行分析，结果见表8。
由表8可以看出，毛竹林水源涵养总量584.15～626.58 t·hm-2，不同密度毛竹林水源涵养总量依次为D1（626.58 t·hm-2）>D3（618.88 t·hm-2）>D2（599.56 t·hm-2）>D4（584.15 t·hm-2）。土壤蓄水量所占比例最高，在96.41%～97.91%，且随着林分密度的增大而减小。地上部分的水源涵养量占林分总水源涵养的比例非常小，其中林冠截留量在0.79%～1.51%，凋落物持水量1.30%～2.07%，且均随着密度的增大而增大。
3 结论与讨论
密度对毛竹林分水文效益，如林冠截留量、凋落物最大持水量、林分有效拦蓄量、非毛管蓄水量等产生显著影响。毛竹林水源涵养总量584.15～626.58 t·hm-2，土壤蓄水量、林冠截留量及凋落物持水量分别占96.41%～97.91%、0.79%～1.51%及1.30%～2.07%。土壤持水量是毛竹林水源涵养的主体，该结论与许多学者研究结果相同[4，67]。
森林结构包括林分的。林分的结构上的不同，如森林组成结构、密度结构、年龄结构、植株水平空间分布与垂直分布结构的不同会导致森林生态系统出现差异。
毛竹在竹类中最高大的一种，用途广泛，栽培面积大，是南方最重要的材用、笋用及材笋两用竹种。在大多数情况下，毛竹林是纯林。因此，林分密度对其地上部分与地下部分空间，对太阳光能，对大气中的CO2与O2吸收与利用率，对土壤中的水分、矿物质吸收与利用率；林分生产力；林分稳定性与抗逆能力；森林的美景度；森林小气候特征；森林自我培肥能力；水源涵养能力及其他森林生态效能等产生重要的影响。
依据培育毛竹林的目的不同，如材用林、笋用林及材笋二用林，林分的密度也要因此而不同。因此，在生产实际中，要根据培育目的、立地條件、产品市场销路与价格、交通与劳力、以及经营水平等综合确定毛竹林分密度。
参 考 文 献
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[2]苏开君，王光，马红岩，等.流溪河小流域针阔混交林林冠降雨截留模型研究[J].中南林业科技大学学报，2007（1）：6063，75.
[3]陈玉生，张卓文.连峡河小流域不同林分森林凋落物持水特性研究[J].华中农业大学学报，2005，24（2）：207212.
[4]崔鸿侠，张卓文.三峡库区莲峡河小流域马尾松水文生态效应研究[J].中南林学院学报，2005，25（2）：4649.
[5]雷云飞，张卓文，苏开君，等.流溪河森林各演替阶段凋落物层的水文特性[J].中南林业科技大学学报，2007（6）：3843.
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[8]国家林业局.森林土壤分析方法[M].北京：国家林业局.1999：34.
[9]刘世荣，温光远，王兵，等.中国森林生态系统水文生态功能规律[M].北京：中国林业出版社，1996：78.
（责任编辑：夏剑萍）
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